CN116514389A - 一种微波加热用于无机纤维生产的装置和拉丝方法 - Google Patents

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CN116514389A CN202310164484.2A CN202310164484A CN116514389A CN 116514389 A CN116514389 A CN 116514389A CN 202310164484 A CN202310164484 A CN 202310164484A CN 116514389 A CN116514389 A CN 116514389A
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Abstract

本发明涉及一种微波加热用于无机纤维生产的装置和拉丝方法，该装置是由移动式拉丝平台、微波电源、微波屏蔽腔、高温热电偶、控制台、散热风扇、微波发生器、矩形波导、云母薄片、微波谐振腔、保温腔、腔体支架、保温腔上盖、保温腔底座、辅助加热层、拉丝漏板、微波抑制开关、浸润剂涂覆器、卷丝器组成，根据矿物质材料导热性差等特性，对矿物质材料进行更加快速彻底地熔化，使得矿物质材料熔融体温度均匀，熔融体挥发份减少，成份一致性高，从而加快无机纤维生产速度，进一步提高无机纤维的品质和强度，为实现快速大规模无机纤维提供了一种技术手段。

Description

一种微波加热用于无机纤维生产的装置和拉丝方法
技术领域
本发明涉及熔融无机物拉丝设备及方法领域，特别是涉及一种微波加热用于无机纤维生产的装置和拉丝方法。
背景技术
无机纤维以矿物质为原料制成的纤维，目前市面上较为常见的有玄武岩纤维、岩棉、玻璃纤维、硼纤维和陶瓷纤维等。其主要成分有SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2、Na2O、K2O等和少量其他金属氧化物。生产无机纤维主要原料是自然界中的矿石，如玄武岩、辉绿岩、安山岩、叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石等。以及部分工业固废，如煤矸石、各种尾矿、粉煤灰、脱硫石膏、钢渣、冶金渣、硅灰石等都可以用作生产无机纤维原料。由于无机纤维不仅具有较好的力学性能，无机纤维还具有一些特殊的性能，如绝缘性能好、耐温性及热稳定性优异等。把矿石或者工业固废通过高温熔融拉丝制备绿色环保的无机纤维及其纤维纺织品，将具有更好的经济效益和社会效益。
生产无机纤维需要投料-熔化-拉丝这3个环节，其中熔化环节热量损耗大。目前，国内外使用熔融矿物质材料并生产无机纤维的加热方式主要有：燃气加热、全电加热和气电结合加热三种方式为主。由于矿物质材料的熔点高，导热性差，熔化后透热性低等特点，在热传导过程中存在较大温差，导致能量损耗大和熔体温度不均匀，致使传统的加热方式资源利用率低，成本高，不利于无机纤维绿色生产和大规模推广。
在微波腔中，矿物质材料内部偶极子的高频往复运动产生内摩擦热而使矿物质材料温度升高，不须任何热传导过程就能使矿物质材料内外部同时加热和升温。微波加热是一种由内而外的瞬时加热方式，而传统加热依靠是热传导、对流和辐射进行。微波加热却与传统加热相比，微波有许多优点：(1)能量转换代替传热；(2)非接触式加热特性；(3)自动化水平较高；(4)环境友好性。如果使用微波加热代替传统加热生产无机纤维将是一种更合理安全，资源利用率高的方法。
中国专利CN109678340A公开了一种玄武岩浆用可调微波加热拉丝装置及拉丝方法，该申请在拉丝漏斗底部有微波加热段，并在拉丝漏嘴下方端口有管径调剂器，同时管径调剂器可控制熔体流量。但是，该申请只是将玄武岩高温熔浆利用微波加热使其温度均匀化，未涉及玄武岩加热部分，整体装置集成度不高。本申请与中国专利CN109678340A明显区别在于：(1)具有完整的加热熔融成纤、涂敷浸润剂和纤维收集为一体的高集成度装置；(2)具有独立完整的一体化控制系统；(3)增加微波屏蔽层，防止工作人员受到电磁辐射的危害；(4)采用一步法成纤技术，直接由矿物材料转变为无机纤维，避免了传统生产法中矿物-玻璃体-纤维的能源浪费；(5)增加辅助加热层，实现电磁能-热能转化最大化。
发明内容
本发明目的在于，为解决现存在的问题，提供一种微波加热用于无机纤维生产的装置及拉丝方法，该装置是由移动式拉丝平台、微波电源、微波屏蔽腔、高温热电偶、控制台、散热风扇、微波发生器、矩形波导、云母薄片、微波谐振腔、保温腔、腔体支架、保温腔上盖、保温腔底座、辅助加热层、拉丝漏板、微波抑制开关、浸润剂涂覆器、卷丝器组成，根据矿物质材料导热性差等特性，可以将矿物质材料快速熔化，且能够提高熔体的温度的均匀性，进一步提高无机纤维的品质，为实现大规模生产无机纤维提供了技术手段。
本发明所述的一种微波加热用于无机纤维生产的装置，该装置是由移动式拉丝平台(1)、微波电源(2)、微波屏蔽腔(3)、高温热电偶(4)、控制台(5)、散热风扇(6)、微波发生器(7)、矩形波导(8)、云母薄片(9)、微波谐振腔(10)、保温腔(11)、腔体支架(12)、保温腔上盖(13)、保温腔底座(14)、辅助加热层(15)、拉丝漏板(16)、微波抑制开关(17)、浸润剂涂覆器(18)、卷丝器(19)组成，在移动式拉丝平台(1)上固定有微波屏蔽腔(3)，微波屏蔽腔(3)内设有微波谐振腔(10)，在微波谐振腔(10)内通过腔体支架(12)固定保温腔(11)，在微波谐振腔(10)一侧设有云母薄片(9)，云母薄片(9)固定在矩形波导(8)一端，微波谐振腔(10)的另一侧分别设有微波发生器(7)、微波电源(2)和散热风扇(6)，微波发生器(7)的一端固定有矩形波导(8)，在微波屏蔽腔(3)的顶部固定高温热电偶(4)，高温热电偶(4)一端通过微波谐振腔(10)与保温腔(11)连通，并低于保温腔上盖(13)3-6cm处，微波屏蔽腔(3)的顶部固定有控制台(5)。
保温腔(11)底部固定拉丝漏板(16)，拉丝漏板(16)的下端设有浸润剂涂覆器(18)，在浸润剂涂覆器(18)的下端设有卷丝器(19)。
在微波谐振腔(10)的底部固定微波抑制开关(17)。
微波屏蔽腔(3)顶端固定的高温热电偶(4)通过数据线与控制台(5)连接。
一种微波加热用于无机纤维生产装置所涉及的拉丝方法，按下列步骤进行：
a、将玄武岩矿石材料经过粉碎，粒径控制在1-10mm之间，将粉碎后的矿石颗粒经过水洗干净并烘干30min，再将烘干后的矿物质材料放在拉丝漏板(16)上，盖好保温腔上盖(13)，将微波屏蔽腔(3)锁紧，高温热电偶(4)固定牢固，打开微波抑制开关(17)，开启控制台(5)，微波发生器(7)和散热风扇(6)开始工作；
b、保温腔(11)温度控制在1100-1450℃，恒定拉丝温度，关闭微波发生器(7)和微波抑制开关(17)，手动牵引无机纤维；
c、手动牵引无机纤维过程顺畅后，开启浸润剂涂覆器(18)和卷丝器(19)，由手动牵引转变为卷丝器牵引，开启微波发生器(7)，保持保温腔(11)内部温度恒定；
d、通过调节卷丝器(19)的电动机转速来调节无机纤维的直径变化，实现无机纤维直径可控。
本发明所述的一种微波加热用于无机纤维生产的装置和拉丝方法，该装置是由移动式拉丝平台、微波电源、微波屏蔽腔、高温热电偶、控制台、散热风扇、微波发生器、矩形波导、云母薄片、微波谐振腔、保温腔、腔体支架、保温腔上盖、保温腔底座、辅助加热层、拉丝漏板、微波抑制开关、浸润剂涂覆器、卷丝器组成，在移动式拉丝平台上固定有微波屏蔽腔，微波屏蔽腔内设有微波谐振腔，在微波谐振腔内通过腔体支架固定保温腔，在微波谐振腔一侧设有云母薄片，云母薄片固定在矩形波导一端，微波谐振腔的另一侧分别设有微波发生器、微波电源和散热风扇，在微波屏蔽腔的顶部固定高温热电偶，高温热电偶一端通过微波谐振腔与保温腔连通，并低于保温腔上盖3-6cm处，微波屏蔽腔的顶部固定有控制台。所述微波谐振腔由可反射微波的金属板制成且表面洁净光滑，所述微波谐振腔内部装有保温腔且谐振腔保持一定距离，保温腔底部固定拉丝漏板，拉丝漏板下端为拉丝漏嘴，拉丝漏板底部与保温腔、微波屏蔽腔和谐振腔相通，微波谐振腔底部与拉丝漏板连同位置安装防微波泄漏开关，拉丝漏板下端有无机纤维浸润剂涂覆器，无机纤维浸润剂涂覆器下部安装卷丝器；该拉丝方法：
将矿物质材料放在拉丝漏板上，盖好保温腔上盖，微波屏蔽腔确定锁紧，将高温热电偶固定牢固，微波抑制开关打开，开启控制台开关，微波发生器和散热风扇开始工作；
保温腔温度控制在温度1100-1450℃，恒定具体拉丝温度，关闭微波发生器，关闭微波抑制开关，手动牵引无机纤维；
在PLC总控系统中，根据加热温度来不断调节输入功率，保证升温过程的平稳运行，同时减少能量消耗；
手动牵引无机纤维过程顺畅后，开启浸润剂涂覆器和卷丝器，由手动牵引转变为卷丝器牵引，开启微波发生器，保持保温腔内部温度恒定。
通过调节卷丝器的电动机转速来调节无机纤维的直径变化。
本发明所述的一种微波加热用于无机纤维生产的装置和拉丝方法，与现有技术相比有以下创新性：
本发明方法选择微波加热技术，利用微波加热整体性、均匀性、速度快、热效率高和环境友好性特点，使得无机熔融体温度均匀，熔融体挥发份减少，成份一致性高，从而加快无机纤维生产速度，提高无机纤维强度，为实现快速大规模无机纤维提供了一种技术手段。
本发明选择采用一步法进行熔制拉丝，即拉丝漏板和矿物质材料一体加热式方法，加热矿物质材料的同时也保证了拉丝漏板的温度，大大缩短了拉丝时间，节省能源的消耗。
本发明在保温腔内有辅助加热层，增加了电磁-热转化效率，避免了矿物质材料在低温区吸收微波能力较弱而导致加热速度较慢造成的能源浪费。
本发明将微波加热熔融、拉丝、浸润剂涂覆和纤维收集集成于移动平台之上，提高生产效率的同时提高了空间利用率。
本发明在谐振腔底部安装微波抑制开关，避免了在加热过程微波泄漏造成实验人员身体的伤害。
附图说明
图1是本发明一种微波加热用于无机纤维生产的装置示意图；
图2是本发明加热区域和拉丝区域的示意图。
图中，1可移动式拉丝平台、2微波电源、3微波屏蔽腔、4高温热电偶、5控制台、6散热风扇、7微波发生器、8矩形波导、9云母薄片、10微波谐振腔、11保温腔、12腔体支架、13保温腔上盖、14保温腔底座、15辅助加热层、16拉丝漏板、17微波抑制开关、18浸润剂涂覆器、19卷丝器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述，但不限于以下的实施例。
实施例1
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明所述的一种微波加热用于无机纤维生产的装置，该装置是由移动式拉丝平台1、微波电源2、微波屏蔽腔3、高温热电偶4、控制台5、散热风扇6、微波发生器7、矩形波导8、云母薄片9、微波谐振腔10、保温腔11、腔体支架12、保温腔上盖13、保温腔底座14、辅助加热层15、拉丝漏板16、微波抑制开关17、浸润剂涂覆器18、卷丝器19组成，在移动式拉丝平台1上固定有微波屏蔽腔3，微波屏蔽腔3内设有微波谐振腔10，在微波谐振腔10内通过腔体支架12固定保温腔11，在微波谐振腔10一侧设有云母薄片9，云母薄片9固定在矩形波导8一端，微波谐振腔10的另一侧分别设有微波发生器7、微波电源2和散热风扇6，微波发生器7的一端固定有矩形波导8，在微波屏蔽腔3的顶部固定高温热电偶4，高温热电偶4一端通过微波谐振腔10与保温腔11连通，并低于保温腔上盖133-6cm处，微波屏蔽腔3的顶部固定有控制台5；
保温腔11底部固定拉丝漏板16，拉丝漏板16的下端设有浸润剂涂覆器18，在浸润剂涂覆器18的下端设有卷丝器19；
在微波谐振腔10的底部固定微波抑制开关17。
微波屏蔽腔3顶端固定的高温热电偶4通过数据线与控制台5连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将玄武岩矿石材料经过粉碎，粒径控制在1mm，将粉碎后的矿石颗粒经过水洗干净并烘干30min，防止在加热过程中水汽蒸发凝结后影响电路，将粉碎水洗烘干后的矿物质材料放在拉丝漏板16上，盖好保温腔上盖13，将微波屏蔽腔3锁紧，高温热电偶4固定牢固，打开微波抑制开关17，开启控制台5，微波发生器7和散热风扇6开始工作；
b、保温腔11温度控制在1330-1450℃，根据熔体流动状况确定合适的拉丝温度，保温60min恒定拉丝温度，关闭微波发生器7和微波抑制开关17，使用耐高温材料制备的纤维牵引钩手动牵引无机纤维，清除漏嘴周围溢出的熔体，防止在拉丝过程中大块熔体随纤维带出而影响纤维的连续生产；
c、手动牵引玄武岩纤维直径较大，难以判别纤维强度，需要相关收卷装置进行快速拉伸，手动牵引无机纤维过程顺畅后，开启浸润剂涂覆器18和卷丝器19，由手动牵引转变为卷丝器牵引，开启微波发生器7，保持保温腔11内部温度恒定；
d、通过调节卷丝器19的电动机转速来调节无机纤维的直径变化，实现无机纤维直径可控。
实施例2
在本实施例中，所述装置与实施例1相同，具体操作按下列步骤进行：
a、将玄武岩矿石经过粉碎后以200目筛子筛选，矿石粒径控制在250μm以下，不经过水洗，直接将矿粉放到拉丝漏板16上，盖好保温腔上盖13，将微波屏蔽腔3锁紧，高温热电偶4固定牢固，打开微波抑制开关17，开启控制台5，微波发生器7和散热风扇6开始工作；
b、保温腔11温度控制在1330-1450℃，根据熔体流动状况确定合适的拉丝温度，保温时间5min，恒定拉丝温度，关闭微波发生器7和微波抑制开关17，使用耐高温材料制备的纤维牵引钩手动牵引无机纤维，清除漏嘴周围溢出的熔体，防止在拉丝过程中大块熔体随纤维带出而影响纤维的连续生产；
c、手动牵引无机纤维过程顺畅后，由于矿粉粒径更小，便于融化和成分均匀化，开启浸润剂涂覆器18和卷丝器19，由手动牵引转变为卷丝器牵引，开启微波发生器7，保持保温腔11内部温度恒定；
d、通过调节卷丝器19的电动机转速来调节无机纤维的直径变化，实现无机纤维直径可控。
实施例3
在本实施例中，所述装置与实施例1相同，具体操作按下列步骤进行：
不经过水洗。直接将矿粉放到拉丝漏板上，盖好保温腔上盖，微波屏蔽腔确定锁紧，将高温热电偶固定牢固，微波抑制开关打开，开启控制台开关，微波发生器和散热风扇开始工作，控制在1100℃-1300℃为宜，，之后开启浸润剂涂覆器和卷丝器进行涂覆浸润剂和收卷过程。
a、以制备玻璃纤维为例，将叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石六种矿石为主要原料，同时可加入其他成分矿石，改变纤维的功能性，将粉碎后以200目筛子筛选，粒径控制在250μm以下，将粉碎后的矿石颗粒不经过水洗，直接放在拉丝漏板16上，盖好保温腔上盖13，将微波屏蔽腔3锁紧，高温热电偶4固定牢固，打开微波抑制开关17，开启控制台5，微波发生器7和散热风扇6开始工作；
b、保温腔11温度控制在1100-1300℃，保温时间到50min，恒定拉丝温度，关闭微波发生器7和微波抑制开关17，使用耐高温材料制备的纤维牵引钩手动牵引无机纤维，清除漏嘴周围溢出的熔体，防止在拉丝过程中大块熔体随纤维带出而影响纤维的连续生产；
c、手动牵引玄武岩纤维直径较大，难以判别纤维强度，需要相关收卷装置进行快速拉伸，待手动牵引无机纤维过程顺畅后，开启浸润剂涂覆器18和卷丝器19，由手动牵引转变为卷丝器牵引，开启微波发生器7，保持保温腔11内部温度恒定；
d、通过调节卷丝器19的电动机转速来调节无机纤维的直径变化，实现无机纤维直径可控。
实施例4
在本实施例中，所述装置与实施例1相同，具体操作按下列步骤进行：
a、以制备玻璃纤维为例，选取已经熔制好的球形或者棒状的玻璃体，加入到拉丝炉腔中拉丝漏板16上方，盖好保温腔上盖13，将微波屏蔽腔3锁紧，高温热电偶4固定牢固，打开微波抑制开关17，开启控制台5，微波发生器7和散热风扇6开始工作；
b、保温腔11温度控制在1100-1450℃，体流动状况确定合适的拉丝温度，保温时间100min，恒定拉丝温度，关闭微波发生器7和微波抑制开关17，使用耐高温材料制备的纤维牵引钩手动牵引玄武岩纤维，清除漏嘴周围溢出的熔体，防止在拉丝过程中大块熔体随纤维带出而影响纤维的连续生产；
c、手动牵引玄武岩纤维直径较大，难以判别纤维强度。需要相关收卷装置进行快速拉伸，待手动牵引无机纤维过程顺畅后，开启浸润剂涂覆器18和卷丝器19，由手动牵引转变为卷丝器牵引，开启微波发生器7，保持保温腔11内部温度恒定；
d、通过调节卷丝器19的电动机转速来调节无机纤维的直径变化，实现无机纤维直径可控。
实施例5
在本实施例中，所述装置与实施例1相同，具体操作按下列步骤进行：
a、以制备工业固废基纤维为例，从工业固废如煤矸石、各种尾矿、粉煤灰、脱硫石膏、钢渣、冶金渣、硅灰石中选取2-4种在适合拉丝的矿物质材料，通过粉碎后以200目筛子筛选，保证粒径控制在250μm以下，不经过水洗，直接将粉体材料放到拉丝漏板16上，盖好保温腔上盖13，将微波屏蔽腔3锁紧，高温热电偶4固定牢固，打开微波抑制开关17，开启控制台5，微波发生器7和散热风扇6开始工作；
b、保温腔11温度控制在1100-1250℃，体流动状况确定合适的拉丝温度，保温时间80min，恒定拉丝温度，关闭微波发生器7和微波抑制开关17，使用耐高温材料制备的纤维牵引钩手动牵引玄武岩纤维，清除漏嘴周围溢出的熔体，防止在拉丝过程中大块熔体随纤维带出而影响纤维的连续生产；
c、手动牵引玄武岩纤维直径较大，难以判别纤维强度，需要相关收卷装置进行快速拉伸，待手动牵引无机纤维过程顺畅后，开启浸润剂涂覆器18和卷丝器19，由手动牵引转变为卷丝器牵引，开启微波发生器7，保持保温腔11内部温度恒定；
d、通过调节卷丝器19的电动机转速来调节无机纤维的直径变化，实现无机纤维直径可控。
需要特别说明的是，上述实施例中所制备的纤维只是较为常见的三种纤维的制备，本发明专利保护范围不限于此。本领域内相关技术人员应当将说明书作为一个整体对待，在一些关键技术步骤内各实施例中的技术方法或内容可以组合使用，以上所述实施例仅具体和详细表达了本技术方案的较为成熟或优选实施例，应当指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干变性、改进及替代，这些都属于本技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种微波加热用于无机纤维生产的装置，其特征在于该装置是由移动式拉丝平台（1）、微波电源（2）、微波屏蔽腔（3）、高温热电偶（4）、控制台（5）、散热风扇（6）、微波发生器（7）、矩形波导（8）、云母薄片（9）、微波谐振腔（10）、保温腔（11）、腔体支架（12）、保温腔上盖（13）、保温腔底座（14）、辅助加热层（15）、拉丝漏板（16）、微波抑制开关（17）、浸润剂涂覆器（18）、卷丝器（19）组成，在移动式拉丝平台（1）上固定有微波屏蔽腔（3），微波屏蔽腔（3）内设有微波谐振腔（10），在微波谐振腔（10）内通过腔体支架（12）固定保温腔（11），在微波谐振腔（10）一侧设有云母薄片（9），云母薄片（9）固定在矩形波导（8）一端，微波谐振腔（10）的另一侧分别设有微波发生器（7）、微波电源（2）和散热风扇（6），微波发生器（7）的一端固定有矩形波导（8），在微波屏蔽腔（3）的顶部固定高温热电偶（4），高温热电偶（4）一端通过微波谐振腔（10）与保温腔（11）连通，并低于保温腔上盖（13）3-6 cm处，微波屏蔽腔（3）的顶部固定有控制台（5）。
2.根据权利要求1所述的一种微波加热用于无机纤维生产的装置，其特征在于保温腔（11）底部固定拉丝漏板（16），拉丝漏板（16）的下端设有浸润剂涂覆器（18），在浸润剂涂覆器（18）的下端设有卷丝器（19）。
3.根据权利要求1所述的一种微波加热用于无机纤维生产的装置，其特征在于在微波谐振腔（10）的底部固定微波抑制开关（17）。
4.根据权利要求1所述的一种微波加热用于无机纤维生产的装置，其特征在于微波屏蔽腔（3）顶端固定的高温热电偶（4）通过数据线与控制台（5）连接。
5.根据权利要求1所述的一种微波加热用于无机纤维生产的装置所涉及的拉丝方法，其特征在于，按下列步骤进行：
a、将玄武岩矿石材料经过粉碎，粒径控制在1-10 mm之间，将粉碎后的矿石颗粒经过水洗干净并烘干30 min，再将烘干后的矿物质材料放在拉丝漏板（16）上，盖好保温腔上盖（13），将微波屏蔽腔（3）锁紧，高温热电偶（4）固定牢固，打开微波抑制开关（17），开启控制台（5），微波发生器（7）和散热风扇（6）开始工作；
b、保温腔（11）温度控制在1100-1450℃，恒定拉丝温度，关闭微波发生器（7）和微波抑制开关（17），手动牵引无机纤维；
c、手动牵引无机纤维过程顺畅后，开启浸润剂涂覆器（18）和卷丝器（19），由手动牵引转变为卷丝器牵引，开启微波发生器（7），保持保温腔（11）内部温度恒定；
d、通过调节卷丝器（19）的电动机转速来调节无机纤维的直径变化，实现无机纤维直径可控。
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